(57)【要約】【課題】  表面に加わる外力により生ずる応力を、該表面に平行な方向及び直交する方向へ効率的に伝播分散できるようにする。【解決手段】  本発明の繊維複合材料は、外力の作用を受けるように使用される表面１０を有する繊維複合材料１であって、表面１０に対して略平行な一方向へ配向した繊維３ａを主たる構成要素とする繊維集合体３と、該繊維集合体３中に略埋設され、前記一方向に対して略直交方向、かつ表面１０に対して角度が付く方向へ三次元的に配向した繊維４ａを含む繊維層４と、繊維集合体３及び繊維層４を結合するマトリックス５とを備えている。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外力の作用を受けるように使用される表面を有する繊維複合材料であって、
前記表面に対して略平行な一方向へ配向した繊維を主たる構成要素とする繊維集合体と、
該繊維集合体中に略埋設され、前記一方向に対して略直交方向、かつ前記表面に対して角度が付く方向へ三次元的に配向した繊維を含む繊維層と、
前記繊維集合体及び前記繊維層を結合するマトリックスと
を備えた繊維複合材料。
【請求項２】
前記繊維層は、前記一方向に対する略直交方向、かつ前記表面に対する略平行方向へ略三角形又は略台形が繰り返し現れる波形状に形成されており、該繊維層の前記繊維は、該波形に沿って三次元的に配向している請求項１記載の繊維複合材料。 
【請求項３】
前記表面としての板面を有する板状に形成された請求項１又は２記載の繊維複合材料。
【請求項４】
前記表面としての周面を有する筒状又は柱状に形成された請求項１又は２記載の繊維複合材料。
【請求項５】
少なくとも２つの請求項３又は４記載の繊維複合材料が積層されており、
隣接する前記繊維複合材料における前記繊維集合体の前記繊維の配向方向が互いに異なるように配設された積層体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば耐衝撃材や振動減衰材等として利用可能な繊維複合材料及びその積層体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の繊維複合材料として、特許文献１記載の繊維強化材料を例示する。この繊維強化材料は、繊維強化基材６１を原料中に含有した状態で、マトリックスとなる原料を流し込んで硬化させたものである。繊維強化基材６１は、織物６２を積層した状態の経糸と緯糸の間の隙間に、織物６２のなす面とほぼ直交する方向に、植毛繊維６６を静電植毛装置７０により静電植毛したものである。この植毛繊維６６により織物６２の各層間における結合力を増大させるようにしている。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−３４８１６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、植毛繊維６６は、織物６２のなす面とほぼ直交する方向に配向しているので、長さが短く、織物６２との結合力が弱い。このため、繊維強化材料の表面に加わる外力により該繊維強化材料内に生ずる応力を該表面に直交する方向に伝播分散する作用が小さいという課題がある。
【０００５】
また、織物６２の積層数が増えてくると、植毛が困難になるため、繊維強化材料を厚く形成することが難しいという課題がある。
【０００６】
また、積層した状態の織物６２に植毛するには、織物６２の経糸と緯糸の間の隙間を広めにしておく必要があるため、織物６２の繊維密度が小さくなり、織物６２のなす面の方向への強度が低下するという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、第１の発明の繊維複合材料は、
外力の作用を受けるように使用される表面を有する繊維複合材料であって、
前記表面に対して略平行な一方向へ配向した繊維を主たる構成要素とする繊維集合体と、
該繊維集合体中に略埋設され、前記一方向に対して略直交方向、かつ前記表面に対して角度が付く方向へ三次元的に配向した繊維を含む繊維層と、
前記繊維集合体及び前記繊維層を結合するマトリックスと
を備えている。
【０００８】
前記繊維集合体の繊維としては、特に限定されないが、マルチフィラメントやモノフィラメント等を例示し、このマルチフィラメントとしては、アラミド繊維、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール（ＰＢＯ）繊維、ポリエチレン（ＰＥ）繊維、ポリアリレート繊維、ナイロン繊維、ポリエステル繊維、ガラス繊維、鋼線、炭素繊維、各種バインダー繊維等を例示する。前記繊維層の繊維としては、特に限定されないが、マルチフィラメント、各種織物、２軸、３軸、４軸等の複数軸の組布等を例示し、マルチフィラメントとしては、前記繊維集合体の繊維と同様のものを採用できる。但し、前記繊維層を形成するときにその繊維を賦形する場合には、炭素繊維等のように曲げに弱い繊維は折れてしまうことがあり、他の材質の繊維を採用する場合と比べ、本発明の作用効果が十分に発揮されないことがある。前記マトリックスとしては、特に限定されないが、ポリプロピレン樹脂（ＰＰ）、ポリエチレン樹脂（ＰＥ）、ポリエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ナイロン樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、オレフィン樹脂、フェノール樹脂、各種ゴム、セメント等を例示する。
【０００９】
前記表面に対する前記繊維層の前記繊維の角度としては、特に限定されないが、約４５°に設定しておけば、前記表面に略垂直に加わる外力により生ずる応力を前記表面に平行な方向に効率的に伝播分散させることができる。
【００１０】
この構成によれば、前記表面に加わる外力により生ずる応力を、前記繊維集合体により該表面に平行な方向である前記一方向へ主に伝播分散するとともに、前記繊維層により該表面に直交する方向へ伝播分散する作用効果を奏する。しかも、前記繊維層に含まれる繊維は、前記表面に対して角度が付く方向へ三次元的に配向しているので、前記応力を、前記一方向に対して略直交方向であって、該表面に平行な方向へも伝播分散する作用効果も奏する。従って、前記表面に加わる外力により生ずる応力を、該表面に平行な方向及び直交する方向へ効率的に伝播分散できる。
【００１１】
第２の発明の繊維複合材料としては、前記第１の発明において、
前記繊維層は、前記一方向に対する略直交方向、かつ前記表面に対する略平行方向へ略三角形又は略台形が繰り返し現れる波形状に形成されており、該繊維層の前記繊維は、該波形に沿って三次元的に配向している態様を例示する。
【００１２】
前記波形における前記略三角形又は前記略台形の斜辺は、前記表面に対して角度が付く方向へ三次元的に配向しており、この斜辺の部位に含まれる繊維が、「前記一方向に対して略直交方向、かつ前記表面に対して角度が付く方向へ三次元的に配向した繊維」となっている。
【００１３】
この構成によれば、前記第１の発明を簡単な構造で実現できる。
【００１４】
第３の発明の繊維複合材料としては、前記第１又は２の発明において、前記表面としての板面を有する板状に形成された態様を例示する。
【００１５】
前記板状としては、特に限定されないが、平板状、曲板状等である態様を例示する。
【００１６】
第４の発明の繊維複合材料としては、前記第１又は２の発明において、前記表面としての周面を有する筒状又は柱状に形成された態様を例示する。
【００１７】
前記筒状としては、特に限定されないが、円筒状、角筒状等である態様を例示する。また、前記柱状としては、特に限定されないが、円柱状、角柱状等である態様を例示する。
【００１８】
第５の発明の積層体としては、
少なくとも２つの請求項３又は４記載の繊維複合材料が積層されており、
隣接する前記繊維複合材料における前記繊維集合体の前記繊維の配向方向が互いに異なるように配設された態様を例示する。
【００１９】
この構成によれば、配向方向が互いに異なる前記繊維集合体の前記繊維及び前記繊維層の前記繊維により、前記表面に加わる外力により生ずる応力を、前記表面に平行な方向に広く伝播分散させることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る繊維複合材料及びその積層体によれば、その表面に加わる外力により生ずる応力を、該表面に平行な方向及び直交する方向へ効率的に伝播分散できるという優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１〜図６は本発明を具体化した第一実施形態の繊維複合材料１及びその積層体２を示している。この繊維複合材料１及びその積層体２は、外力の作用を受けるように使用される表面１０を有するものである。図１及び図２に示すように、本例の繊維複合材料１は、表面１０としての板面を有する板状に形成されており、表面１０に対して略平行な一方向へ配向した繊維３ａを主たる構成要素とする繊維集合体３と、該繊維集合体３中に略埋設され、前記一方向に対して略直交方向、かつ表面１０に対して角度が付く方向へ三次元的に配向した繊維４ａを含む繊維層４と、繊維集合体３及び繊維層４を結合するマトリックス５とを備えている。
【００２２】
繊維層４は、前記一方向に対する略直交方向、かつ表面１０に対する略平行方向へ略三角形としての略二等辺三角形が繰り返し現れる波形状に形成されており、該繊維層４の繊維４ａは、該波形に沿って三次元的に配向している。従って、本例では、表面１０に対する繊維層４の繊維４ａの角度αは、約４５°になっており、表面１０に略垂直に加わる外力Ｐにより生ずる応力σ１を、表面１０に平行な方向（力σ２の方向）に効率的に伝播分散させることができる。繊維層４は、図３及び図４に示すように、前記一方向に対する略直交方向、かつ表面１０に対する略平行方向へ略台形が繰り返し現れる波形状に形成するようにしてもよい。
【００２３】
本例の繊維集合体３の繊維３ａ、繊維層４の繊維４ａ、及びマトリックス５としては、前記［課題を解決するための手段］に記載しているものを適宜組み合わせて採用することができる。
【００２４】
本例の積層体２は、図１に示すように、４枚の繊維複合材料１が積層されてなっており、隣接する繊維複合材料１の繊維集合体３の配向方向が互いに９０°異なるように配設されている。さらに、積層体２は、繊維集合体３の配向方向が同じ繊維複合材料１については、表面１０に対する垂直方向において、前記波形の頂点同士の位置が互いに一致しないようにずらせて配設されている。ここで、マトリックス５が、例えば、架橋密度の高い、加熱硬化型のエポキシ樹脂やフェノール樹脂からなっている場合、それを完全に架橋させる手前で繊維複合材料１同士を積層して接着するか、又は、各繊維複合材料１の接着面をサンドペーパー等で荒らすことにより接着を可能とすることができる。また、繊維複合材料１の板面には、接合用基材又は支持層として、不織布や各種織物を配設することができる。特に、繊維集合体３がバインダー繊維等からできたものを積層する場合は、そのバインダー繊維等と相溶性のある若干融点の低い不織布等を接着剤として挟み込んで加熱・冷却することにより接着することもできる。
【００２５】
繊維複合材料１又はその積層体２と、これに組み合わせて使用される他の部材との間に生ずる空間を補充するための空間補充材としては、各種発泡材や、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、オレフィン樹脂、フェノール樹脂等の各種樹脂や、各種ゴム系材料等を適宜採用することができる。
【００２６】
次に、本例の繊維複合材料１に関し、二種類の製造方法を例示する。
【００２７】
まず、図５に示すように、本例の繊維複合材料１の第一の製造方法は、まず繊維集合体３を形成し、これに繊維層４を積層する方法であり、具体的には次の通りである。
【００２８】
（１）繊維集合体３の繊維３ａとして、例えば、１１００ｄｔｅｘのマルチフィラメント状のポリエステル系芯鞘構造のバインダー繊維を用いる。この繊維を６５本引き揃え、略直角二等辺三角形の口金（ヒーター付き）を通して、引き抜いて、水で冷却させて、断面略直角二等辺三角形（長辺の長さ４．３ｍｍ、短辺の長さ３．０ｍｍ）の一方向に連続した繊維強化プラスチック１１を得る（図５（ａ）参照）。
【００２９】
（２）この繊維強化プラスチック１１を複数本並べて、金型１２ａにセットして、該繊維強化プラスチック１１の長さ方向に対して９０°の方向に繊維層４の繊維４ａとして、１１００ｄｔｅｘのパラ系アラミド繊維を並べ（図５（ｂ）参照）、該繊維４ａの一端側から他端側へ向けて、外周に波形が形成されたロール状の金型１２ｂで複数本の繊維強化プラスチック１１に対して順次加熱プレスして行くと半製品１３ができあがる（図５（ｃ）参照）。この半製品１３を２枚製造する。
【００３０】
（３）（２）で作成した２枚の半製品１３を、互いの山と谷が嵌合するように重ね合わせて金型１４にセットし（図５（ｄ）参照）、摂氏１７０℃で２分間加熱後、冷却することにより一体化させると、繊維複合材料１が完成する。
【００３１】
（４）この繊維複合材料１を４枚製造し、これらの繊維複合材料１を、繊維集合体３の繊維３ａの配向方向が互いに９０°異なるように重ねて接着すると、積層体２が完成する（図１参照）。
【００３２】
また、図６に示すように、本例の繊維複合材料１の第二の製造方法は、まず繊維層４を形成し、これに繊維集合体３を積層する方法であり、具体的には次の通りである。各繊維３ａ，４ａの仕様や、加熱の条件等については第一の製造方法と同様である。
【００３３】
（１）繊維４ａに、マトリックス５としての樹脂を含浸させて、ロール状の金型２１（適宜平板状等の所望の金型を採用可能。）で加熱成型することにより、核となる繊維層４を形成する（図６（ａ）参照）。
【００３４】
（２）繊維層４の波幅方向の両縁部をそれぞれ支持部材２２で支持し、該繊維層４の片面ずつ、又は両面に繊維集合体３を形成するための繊維３ａを配列して金型２３にセットし（図６（ｂ）参照）、加熱後、冷却することにより一体化させると、繊維複合材料１が完成する。なお、マトリックス５として、２液からなる硬化剤を混合した接着剤や、熱可塑性の樹脂を使用することもできる。
【００３５】
（３）積層体２の製造方法は、第一の製造方法と同様である。
【００３６】
以上のように構成された本例の繊維複合材料１によれば、表面１０に加わる外力により生ずる応力を、繊維集合体３により該表面１０に平行な方向である一方向へ主に伝播分散するとともに、繊維層４により該表面１０に直交する方向へ伝播分散する作用効果を奏する。しかも、繊維層４に含まれる繊維４ａは、表面１０に対して角度が付く方向へ三次元的に配向しているので、前記応力を、前記一方向に対して略直交方向であって、該表面１０に平行な方向へも伝播分散する作用効果も奏する。従って、表面１０に加わる外力により生ずる応力を、該表面１０に平行な方向及び直交する方向へ効率的に伝播分散できる。
【００３７】
また、本例の繊維複合材料１の積層体２によれば、配向方向が互いに異なる繊維集合体３の繊維３ａ及び繊維層４の繊維４ａにより、表面１０に加わる外力により生ずる応力を、該表面１０に平行な方向に広く伝播分散させることができる。
【００３８】
次に、図７及び図８は本発明を具体化した第二実施形態の繊維複合材料３１を示している。この繊維複合材料３１は、以下に示す点において、主に第一実施形態と相違している。従って、同実施形態と共通する部分については、同一符号を付することにより重複説明を省く。
【００３９】
この繊維複合材料３１は、図７に示すように、例えば釣り竿のロッド部やゴルフクラブのシャフト部等を構築するためのもので、テーパーを有する筒状に形成されており、その表面としての周面３２に対して略平行な一方向である筒長さ方向へ配向した繊維３ａを主たる構成要素とする繊維集合体３と、該繊維集合体３中に略埋設され、前記筒長さ方向に対して略直交方向、かつ周面３２に対して角度が付く方向へ三次元的に配向した繊維４ａを含む繊維層４と、繊維集合体３及び繊維層４を結合するマトリックス５とを備えている。そして、本例の繊維複合材料３１は、その外周面及び内周面にコーティング３３，３４が施されている。
【００４０】
繊維層４は、前記筒長さ方向に対する略直交方向、かつ周面３２に対する略平行方向である筒周方向へ、略三角形としての略二等辺三角形が繰り返し現れる波形状に形成されており、該繊維層４の繊維４ａは、該波形に沿って三次元的に配向している。従って、本例では、周面３２に対する繊維層４の繊維４ａの角度は、約４５°になっている。
【００４１】
次に、本例の繊維複合材料３１の製造方法を図８を参照しながら例示する。
【００４２】
（１）軸長さ方向の一端側から他端側にかけて徐々に径が小さくなるようにテーパーを有するとともに、外周に波形が形成された一対のロール状の金型３５，３６を使用し、互いの周面が略当接するように支持された両金型３５，３６の間に、マトリックス５としての樹脂を含浸させた繊維４ａを通過させることにより、該繊維４ａに波形を賦形しながら、一方の金型３５に繊維４ａを巻き付ける（図８（ａ）参照）。この一方の金型３５に巻き付けられた繊維４ａを加熱し硬化させることにより筒状の繊維層４を形成する（図８（ｂ）参照）。
【００４３】
（２）テーパを有する円柱状に形成された内型３７ａと、該内型３７ａが挿入される筒状又はカップ状の外型３７ｂとを備えた金型３７を使用し、筒状の繊維層４を、その内周面側と外周面側とにそれぞれマトリックス５としての樹脂を含浸させた繊維３ａを配設した状態で金型３７内にセットし（図８（ｃ）参照）、加熱・加圧すると、筒状の繊維複合材料３１が完成する。その後、適宜、繊維複合材料３１の外周面及び内周面にコーティング３３，３４を施す。
【００４４】
なお、複数の繊維複合材料３１を積層させてなる積層体を形成するようにしてもよい。
【００４５】
本例の繊維複合材料３１によっても、第一実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４６】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨から逸脱しない範囲で適宜変更して具体化することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明を具体化した第一実施形態に係る繊維複合材料の積層体の斜視図である。
【図２】同繊維複合材料の斜視図である。
【図３】同繊維複合材料の変更例の積層体を示す斜視図である。
【図４】同繊維複合材料の変更例の斜視図である。
【図５】同繊維複合材料の第一の製造方法の手順を示す斜視図である。
【図６】同繊維複合材料の第二の製造方法の手順を示す斜視図である。
【図７】本発明を具体化した第二実施形態に係る繊維複合材料を示す断面図である。
【図８】同繊維複合材料の製造方法の手順を示す斜視図である。
【図９】従来の繊維複合材料の製造方法を示す側断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１    繊維複合材料
２    積層体
３    繊維集合体
３ａ  繊維
４    繊維層
４ａ  繊維
５    マトリックス
１０    表面
３１    繊維複合材料
３２    周面
【図１】
2005349752.tif 000003
【図２】
2005349752.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005349752.tif 000006
【図５】
2005349752.tif 000007
【図６】
2005349752.tif 000008
【図７】
2005349752.tif 000009
【図８】
2005349752.tif 000010
【図９】
2005349752.tif 000011